Bluetooth – eine Einführung
Ausgabe 02-2018:
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Bluetooth® ist heute eine der bekanntesten Funktechniken. Sie wird für unterschiedlichste Anwendungen eingesetzt – von Mobiltelefonen über Accessoires bis hin zu Geräten für das Gesundheitsmonitoring. Die unlängst eingeführte Mesh-Netzwerk-Erweiterung des Funkprotokolls hat großes Interesse an neuen Anwendungsbereichen geweckt, zu denen die Beleuchtungssteuerung und Gebäudeautomation zählen. Dadurch eröffnen sich auch neue Möglichkeiten für energieautarke Schalter und Sensoren mit EnOcean-Technologie, die den Bluetooth-Standard unterstützen.
Ursprung von Bluetooth und Bluetooth SIG
Die Geschichte des Bluetooth-Funkstandards geht auf das Jahr 1994 zurück, als eine Reihe von Unternehmen nach einer Möglichkeit suchte, um Kabelverbindungen zu ersetzen. Infolgedessen bildeten die fünf Unternehmen Ericsson, Nokia, Intel, IBM und Toshiba eine Arbeitsgruppe (Special Interest Group, SIG), die 1998 offiziell gegründet wurde. Heute hat die Bluetooth SIG mehr als 33.000 Mitglieder und ist somit eines der größten Standardisierungsgremien der Welt. Seit der 2009 eingeführten Bluetooth-Version 4 ist die Funktechnik Bluetooth Low Energy (BLE) mit äußerst geringem Energieverbrauch fester Bestandteil des Standard-Bluetooth-Stacks.
Bluetooth-Technologie
Die Bluetooth-Kommunikation ist unter IEEE 802.15.1 standardisiert und nutzt das 2,4 GHz-Frequenzband für industrielle, wissenschaftliche und medizinische Hochfrequenzgeräte (ISM). Das ISM-Band wurde weltweit für nicht telekommunikationsbezogene Anwendungen wie medizinische Geräte und sogar Mikrowellenherde reserviert. Das 2,4 GHz-Band ist zwar weltweit für die Kommunikation einsetzbar, birgt jedoch auch zwei wesentliche Nachteile.
Erstens wird es von zahlreichen Geräten genutzt – von WLAN-fähigen Smartphones und Tablets bis hin zu Audio- und Videosystemen, Türklingeln, Fernbedienungen und natürlich Bluetooth-Geräten. Regulierte Frequenzbänder, die beispielsweise kurze Übertragungszyklen verwenden, wie das 868 MHz-Band in Europa, sorgen für erheblich weniger Störungen und bieten daher eine höhere Servicequalität.
Zweitens ist der Kommunikationsbereich – also die Entfernung zwischen Sender und Empfänger, die zuverlässig mit einer bestimmten Übertragungsleistung überbrückt werden kann – im 2,4 GHz-Band wesentlich geringer als bei den niedrigeren Frequenzbändern wie dem 868 MHz-Band.
Bluetooth nutzt spezielle Techniken, um diesen beiden Effekten entgegenzuwirken. Um dem Problem der funktechnischen Störungen zu begegnen, wird das Frequenzsprungverfahren (Frequency Hopping Spread Spectrum, FHSS) eingesetzt. Hierbei wird die Kommunikationsfrequenz aus einer Reihe einzelner Trägerfrequenzen ausgewählt und in regelmäßigen Abständen anhand eines vordefinierten Sprungmechanismus geändert.
Bluetooth verwendet 40 solcher Trägerfrequenzen für die Kommunikation. Drei dieser 40 Kanäle, die so genannten Advertising-Kanäle (unten in Grün dargestellt), werden von Bluetooth-Geräten zur Kopplung und von BLE-Geräten zum Datenaustausch genutzt.
Struktur der Bluetooth-Kanäle
Mesh-Netzwerk
Um das Problem der begrenzten Reichweite zu lösen, hat Bluetooth eine Mesh-Netzwerktopologie eingeführt, bei der Nachrichten über Zwischengeräte von der Quelle zum Ziel übertragen werden. Dieser Ansatz erweitert die Kommunikationsreichweite erheblich und ermöglicht die Abdeckung größerer Bereiche mit einem Bluetooth®-Mesh-Netzwerk.
Bluetooth-Mesh-Netzwerk
Mesh-Systeme haben sich bei Beleuchtungsanwendungen, die naturgemäß eine hohe Knotendichte in Verbindung mit direkt verfügbarer Stromversorgung bieten, als sehr vorteilhaft erwiesen. Die Lichtquellen befinden sich typischerweise weniger als fünf Meter voneinander entfernt, sodass der Kommunikationsabstand zwischen ihnen sehr gering ist.
Die Einrichtung eines Bluetooth-Mesh-Netzwerks auf Basis dieser Leuchten erzeugt daher eine stets verfügbare Netzwerkinfrastruktur mit geringem Energieverbrauch und niedriger bis mittlerer Bandbreite. Ein solches Netzwerk eignet sich ideal für die Kommunikation zwischen batterielosen Funkschaltern und -sensoren, die Daten für ein Internet der Dinge (IoT) auf Gebäudeebene bereitstellen.
Wertvoller Datenbestand
Auf diese Weise werden Beleuchtungssysteme zu einem Daten-Backbone für IoT-Anwendungen. Sie werden nicht mehr nur zur Beleuchtung eingesetzt, sondern generieren parallel eine Vielzahl von Sensordaten und übertragen diese in die Cloud. Die Hauptfunktion eines Beleuchtungssystems mit Präsenzsensoren ist beispielsweise wie bisher die Lichtsteuerung. Darüber hinaus können die Daten der Präsenzsensoren genutzt werden, um die Raumauslastung im Büro festzustellen. Zusätzlich kann das zwischen den Lichtquellen errichtete Funknetzwerk für die Übertragung von Sensordaten verwendet werden, die nicht direkt mit der Beleuchtungssteuerung zusammenhängen, z. B. von Temperatur-, Feuchtigkeits- oder Luftqualitätssensoren.
Dank der Mesh-Netzwerktechnologie können in einem solchen System batterielose Schalter und Sensoren mit jedem fest installierten Bluetooth-Gerät (z. B. Leuchten oder Access Points) kommunizieren. Somit lassen sich dieselben Sensorinformationen für zahlreiche weitere Anwendungen nutzen, beispielsweise für erweiterte Dienste für mehr Komfort und Sicherheit. Daten sind dadurch eine wesentlich wertvollere Ressource als in klassischen Gebäudeautomationssystemen.
Bluetooth-Lösungen von EnOcean
Die EnOcean GmbH hat sich der Bluetooth SIG im September 2016 angeschlossen und bereits Anfang 2017 die ersten batterielosen Bluetooth-Produkte mit Energy Harvesting-Technologie (PTM 215B, EWSxB und ExRPB) eingeführt.
Bluetooth®-Produkte von EnOcean
Heute arbeitet das Unternehmen mit zahlreichen führenden Anbietern intelligenter Bluetooth-Steuerungssysteme zusammen, um eine breite Nutzung batterieloser Funkprodukte mit ihren einzigartigen Vorteilen in der Branche zu erreichen. Zu den Partnern gehören Fulham, Helvar, Aruba, Sylvania, Casambi, Silvair, Vossloh-Schwabe Lighting Solutions, Wirepas und Xicato.
Darüber hinaus arbeitet EnOcean mit der Mesh-Arbeitsgruppe innerhalb der Bluetooth SIG zusammen, um die einzigartigen Möglichkeiten seiner Energy Harvesting-Produkte zu standardisieren. Bleiben Sie dran – es werden schon in Kürze weitere spannende Produktneuheiten folgen!
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